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研究背景

隨著自旋電子學領域的發展，科學家們開始關注在螺旋磁體中存在的手性現象。手性是指分子或結構具有不可重合的鏡像對稱性，其中螺旋磁體的手性由磁螺旋的旋轉方向決定。在這種結構中，磁矩呈螺旋形狀排列，形成一種獨特的磁性態。這種結構不僅在理論上具有重要意義，而且還可能為下一代自旋電子學器件的發展提供新的思路。然而，控制和利用螺旋磁體中的手性是一項具有挑戰性的任務。尤其是在導電性的螺旋磁體中，如何有效地控制手性一直是一個難題。傳統上，手性控制通常需要復雜的操作，并且通常需要在較低的溫度下進行，這限制了其在實際應用中的可行性。

成果簡介

有鑒于此，日本東北大學材料研究所Hidetoshi Masuda, Takeshi Seki以及Yoshinori Onose教授團隊聯合開展了一系列實驗和理論研究，以尋找新的手性控制方法和檢測技術。他們探索了通過施加電流和磁場來實現手性控制的可能性，并開發了一種簡單而有效的橫向電阻測量方法，以便在零磁場條件下檢測手性。通過這些研究，他們成功地在薄膜結構中實現了在室溫下的手性控制，并且能夠通過簡單的電阻測量來檢測手性，為螺旋磁體在自旋電子學中的應用提供了新的可能性。以上成果在Nature communications發題為“Room temperature chirality switching and detection in a helimagnetic MnAu₂ thin film”研究成果。總的來說，螺旋磁體中的手性控制和檢測是一個新興且具有挑戰性的領域，但通過聯合實驗和理論研究，科學家們正在不斷取得進展，為未來自旋電子學器件的發展奠定了基礎。

圖文導讀

為了控制螺旋磁體中的手性，并在室溫下實現這一目標，本研究首先通過對螺旋磁體中導電電子沿傳播矢量的傳播進行建模，作者提出了一種通過外加磁場和電流控制手性的機制（圖1a）。這種機制涉及到自旋轉移力矩和阻尼力矩的作用，使得磁結構發生變化，導致手性的改變。接下來，作者在薄膜MnAu₂中進行了一系列實驗驗證這一機制。首先，他們通過施加磁場和電流，成功地控制了手性，證明了手性可以通過電流脈沖在室溫下進行切換（圖3）。然后，他們觀察了手性對橫向電阻的影響，并設計了一種實驗來檢測手性的轉變（圖5）。這些實驗結果表明，在薄膜MnAu₂中，可以通過電流控制手性，并且手性的改變可以通過橫向電阻測量來檢測。最后，作者總結了他們的研究結果，強調了這一發現對于未來磁性存儲器的應用潛力，并討論了可能的進一步研究方向。相關圖文如下：

圖1. 手性控制的概念和螺旋磁體中的手性相關橫向電阻

圖2. MnAu₂ 薄膜的特性

圖3. 通過電流掃描磁場進行手性控制

圖4. 手性切換

圖5. 觀察 MnAu₂/Pt 雙層樣品中手性相關橫向電阻

總結展望

本文展示了在室溫下實現了螺旋磁體中手性的可控切換和檢測，為新一代自旋電子學器件提供了重要的科學啟迪。通過電流調控手性，解決了傳統磁存儲中的雜散磁場問題，為高密度存儲提供了新思路。同時，發現了手性相關的橫向電阻現象，為手性基磁存儲的讀寫提供了新途徑。這些成果不僅推動了螺旋磁體自旋電子學的發展，也為其他反鐵磁材料的研究和應用提供了重要參考，有望在信息存儲和處理領域取得突破性進展。

文獻信息

Masuda, H., Seki, T., Ohe, Ji. et al. Room temperature chirality switching and detection in a helimagnetic MnAu₂ thin film. Nat Commun 15, 1999 (2024).

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